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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung
eines metallischen Werkstückes gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur elektrochemischen
Bearbeitung eines metallischen Werkstückes gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 8.
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Mit
Hilfe der elektrochemischen Metallbearbeitung (ECM) lässt
sich in eine Oberfläche eines metallischen Werkstücks
eine zwei- oder dreidimensionale Struktur mit einer Vertiefung mit
einer vorgegebenen Form erzeugen. Hierzu wird eine Elektrode, deren
Oberfläche ein Negativabbild der Form der zu erzeugenden
Vertiefung ist, mit einer Vorschubgeschwindigkeit in das Werkstück,
dessen Oberfläche bearbeitet werden soll, abgesenkt. Im
Allgemeinen ist die Vorschubgeschwindigkeit dabei konstant. Das Werkzeug
und das Werkstück werden von einem Elektrolyten umspült.
Als Elektrolyt wird im Allgemeinen eine elektrisch leitende Salzlösung
eingesetzt. Durch Anlegen eines Gleichstroms/einer Gleichspannung
bzw. von Strom-/Spannungspulsen, die meist die Form eines Rechtecksignals
aufweisen, an die Elektrode wird aus dem Werkstück elektrochemisch Material
abgetragen. Ein derartiges Verfahren ist zum Beispiel aus
DE-A 103 60 080 bekannt.
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Damit
die Reaktion, durch die Material aus dem metallischen Werkstück
gelöst wird, abläuft, ist es erforderlich, dass
bei einem elektrochemischen Metallbearbeitungsverfahren mit zwei
Polen, einer Anode und einer Kathode, eine relative Grenzspannung,
die zur Metallauflösung erforderlich ist, zwischen den
beiden Elektroden überschritten wird. Dadurch werden auch
unerwünschte Reaktionen, zum Beispiel Gasentwicklung, ermöglicht.
Diese können sowohl an der Anode als auch an der Kathode
erfolgen. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren
führt dies zu einer geringeren Effizienz, da der Strom
neben der Metallauflösung auch für unerwünschte
Nebenreaktionen, zum Beispiel einer Sauerstoffentwicklung, verbraucht
wird.
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Ein
weiterer Nachteil ist, dass aus dem Werkstück herausgelöste
Metallionen an der Werkzeugelektrode elektrochemisch wieder abgeschieden
werden können. Zudem ist es möglich, dass aufgrund
der anliegenden Spannung, insbesondere dann, wenn sich die Leitfähigkeit
des Elektrolyten zum Beispiel durch eine auftretende Verschmutzung ändert,
Funkenüberschläge zwischen dem zu bearbeitenden
Werkstück und der Werkzeugelektrode auftreten können.
Die Funkenüberschläge führen zu Aufschmelzungen
an der Werkzeugelektrode. Dies ist nur mit einem sehr großen
technischen Aufwand zu verhindern.
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Um
ein konstantes Potential einzustellen, ist es zum Beispiel aus
US-B 7,090,763 bekannt,
eine Referenzelektrode einzusetzen, die sich ebenfalls im Elektrolyten
befindet. Die Referenzelektrode wird dicht an die Oberfläche
des zu bearbeitenden Metallstückes platziert. Eine solche
Referenzelektrode weist ein konstantes, bekanntes und unveränderliches
Potential auf. Jedoch lässt sich durch die Verwendung der
Referenzelektrode der Prozess nicht vollständig kontrollieren,
da durch die Referenzelektrode nur das Potential am Werkstück
geregelt werden kann, jedoch nicht an der Werkzeugelektrode.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zur elektrochemischen
Bearbeitung eines metallischen Werkstücks durch Abtragen
von metallischem Material mittels Stromfluss zwischen einer Werkzeugelektrode
und dem Werkstück, das eine zweite Elektrode bildet, in
Gegenwart eines Elektrolyten wird ein zur Bearbeitung erforderliches
Potential oder eine zur Bearbeitung erforderliche Stromdichte an
der Werkzeugelektrode mittels einer Referenzelektrode, die ein unveränderliches
Potential aufweist, bestimmt und eingestellt. Erfindungsgemäß ist
eine zusätzliche Gegenelektrode im Elektrolyten positioniert,
mittels derer ein Potential oder eine Stromdichte am zu bearbeitenden
Werkstück unabhängig vom Potential oder von der
Stromdichte der Werkzeugelektrode eingestellt werden kann.
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Zum
Abtragen von Metall aus dem Werkstück bei der elektrochemischen
Metallbearbeitung wird das Werkstück als Anode geschaltet
und eine Potentialdifferenz bzw. eine Stromdichte an Werkzeugelektrode
und Werkstück angelegt. Durch das Abtragen des metallischen
Materials aus dem Werkstück wird dieses geformt. Im Unterschied
dazu wird bei Schalten des Werkstücks als Kathode und Anlegen
einer Stromdichte oder einer Potentialdifferenz an Werkzeugelektrode
und Werkstück Metall aus dem Elektrolyten auf dem Werkstück
abgeschieden. Auf diese Weise lässt sich eine galvanische
Beschichtung des Werkstückes realisieren.
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Die
Potentiale an der Werkzeugelektrode und dem Werkstück werden
vorzugsweise mittels eines Bipotentiostaten eingestellt. Durch die
Einstellung der Potentiale mittels des Bipotentiostaten ist es möglich,
das Potential am Werkstück so zu verändern, dass
eine elektrochemische Bearbeitung erfolgt, jedoch an der Werkzeugelektrode
ein Potential anliegt, bei welchem keine elektrochemischen Reaktionen
stattfinden. Der Bipotentiostat ermöglicht es, die Potentiale
der Werkzeugelektrode und des Werkstückes unabhängig
voneinander in Bezug auf die Referenzelektrode einzustellen.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren wird die Form des
Werkzeuges im Wesentlichen identisch in das Werkstück übertragen.
Verschmutzungen der Elektrode durch elektrochemische Abscheidung
von Oxiden oder Fremdmetallen, wie dies bei den aus dem Stand der
Technik bekannten Verfahren auftritt, wird unterbunden. Ein weiterer
Vorteil der bipotentiostatischen Prozessführung ist das
Verhindern von Funkenüberschlägen zwischen dem
Werkstück und der Werkzeugelektrode. Dies ist bedingt durch
den elektronischen Aufbau des Bipotentiostaten. Derartige Funkenüberschläge
führen zu Aufschmelzungen am Werkzeug, was jedoch bei den
aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren nur mit sehr großem
technischen Aufwand verhindert werden kann.
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Bei
der bipotentiostatischen Prozessführung sind die Elektroden
elektronisch derart geschaltet, dass ein direkter Stromfluss zwischen
der Werkzeugelektrode und der Gegenelektrode sowie dem Werkstück
und der Gegenelektrode erfolgt, jedoch nicht zwischen der Werkzeugelektrode
und dem Werkstück. Ein vermehrter Stromfluss, wie dieser zum
Beispiel auftritt, wenn die Metallkonzentration im Elektrolyten
zunimmt oder der Abstand zwischen den Elektroden zu gering wird,
wird über die Gegenelektrode abgeleitet.
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Dieser
vermehrte Stromfluss über die Gegenelektrode kann erfindungsgemäß als
Parameter zum Regeln des Abstandes zwischen der Werkzeugelektrode
und dem Werkstück eingesetzt werden. Hierbei ist jeweils
ein möglichst kleiner Spalt gewünscht, um eine
möglichst genaue Abbildung der Werkzeugelektrode im Werkstück
zu erreichen.
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Ein
weiterer Vorteil des Bipotentiostaten ist es, dass die Spaltregelung
deutlich einfacher aufgebaut werden kann als bei einem Verfahren
zur elektrochemischen Bearbeitung, wie dieses aus dem Stand der
Technik bekannt ist, bei dem ein Zweipol eingesetzt wird. Aufwändige
und deshalb teure Elektronikkomponenten zur Verhinderung von Kurzschlüssen
werden bei der bipotentiostatischen Spaltregelung nicht benötigt.
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Wenn
eine galvanische Beschichtung des Werkstückes erfolgen
soll, dann erfolgt die Einstellung der Stromdichten an der Werkzeugelektrode und
dem Werkstück vorzugsweise mittels eines Bigalvanostaten.
Im Allgemeinen lässt sich in der gleichen Vorrichtung sowohl
das Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung durch Abtragen von
metallischem Material als auch die galvanische Beschichtung realisieren,
da im Allgemeinen ein Bipotentiostat auch als Bigalvanostat funktioniert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weist der Elektrolyt
eine Leitfähigkeit im Bereich von 50 bis 200 mS/cm auf.
Vorteil dieser hohen Leitfähigkeit des Elektrolyten ist
es, dass die Referenzelektrode nahezu willkürlich in das
elektrochemische System integriert werden kann, da Bedingungen wie
bei üblich verwendeten Salzbrücken vorliegen.
Aus diesem Grund können Potentiale auch über größere
Entfernungen zur Werkzeugelektrode und dem als Elektrode geschalteten
Werkstück gemessen und geregelt werden.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen
Werkstückes umfasst ein Reservoir, eine Werkzeugelektrode
sowie eine Referenzelektrode, wobei in dem Reservoir ein Elektrolyt
bereitgestellt ist und die Werkzeugelektrode und die Referenzelektrode
derart angeordnet sind, dass diese von dem Elektrolyten bedeckt
sind. Das Reservoir kann weiterhin ein als Elektrode geschaltetes
zu bearbeitendes Werkstück aufnehmen, wobei das als Elektrode
geschaltete, zu bearbeitende Werkstück der Werkzeugelektrode
gegenüber positioniert wird. In dem Reservoir ist weiterhin
auch eine Gegenelektrode aufgenommen, die ebenfalls derart angeordnet
ist, dass diese von dem Elektrolyten bedeckt ist.
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Im
Allgemeinen werden die Werkzeugelektrode, das als Elektrode geschaltete
Werkstück, die Referenzelektrode und die Gegenelektrode
für die elektrochemische Metallbearbeitung des Werkstücks von
einem Bipotentiostaten angesteuert.
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Bei
einer bipotentiostatischen Prozessführung werden die elektrochemischen
Potentiale, die während der Bearbeitung an den Elektroden,
das heißt der Werkzeugelektrode und dem Werkzeug, unabhängig
voneinander in Bezug auf eine Referenzelektrode eingestellt. Im
Gegensatz dazu werden bei einer bigalvanostatischen Prozessführung die
Stromdichten, die an den beiden Elektroden anliegen sollen, unabhängig
voneinander eingestellt. Der Bezug ist hierbei auch wieder die Referenzelektrode.
Da jedoch an dieser keine Stromdichte eingestellt werden kann, regelt
der Bigalvanostat die Stromdichte an der jeweiligen Elektrode auf
den vorgegebenen Wert ein. Hierdurch stellt sich eine Potentialdifferenz
zwischen der jeweiligen Elektrode und der Referenzelektrode ein,
die dann als Regelgröße herangezogen wird. Die
Prozesssteuerung ist sowohl für die elektrochemische Metallbearbeitung
als auch die elektrochemische Abscheidung gleich. Auch bei der elektrochemischen
Abscheidung kann die Prozesssteuerung bipotentiostatisch oder bigalvanostatisch
durchgeführt werden.
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Da
zwischen dem Werkstück und der Werkzeugelektrode bedingt
durch den elektronischen Aufbau des Bipotentiostaten kein direkter
Stromfluss erfolgt, können Funkenüberschläge,
die durch Kurzschlüsse entstehen, vermieden werden. Auf
diese Weise wird die Prozesssicherheit deutlich erhöht.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und
der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass Ablagerungen
an der Werkzeugelektrode durch die Steuerung der dort ablaufenden
elektrochemischen Reaktionen vermieden werden können. Dies
ist möglich, da das Potential der Werkzeugelektrode niedriger
eingestellt werden kann als das Potential, welches erforderlich
ist, damit die elektrochemischen Reaktionen ablaufen. Die Vermeidung
der Ablagerungen führt zu deutlich längeren Standzeiten
der Elektroden und einer daraus resultierenden Kostenersparnis,
da die Elektronen in ihrer Herstellung sehr teuer sein können.
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Ein
weiterer Vorteil ist es, dass bei Verwendung von Natriumnitrat-Elektrolyten
eine elektrochemische Nitratzersetzungsreaktion durch Anlegen eines
gezielten Potentials verhindert werden kann. Hierdurch lässt
sich eine deutliche Standzeitverlängerung des Elektrolyten
erzielen.
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Weitere
Vorteile sind, das durch das gezielte Anlegen eines Potentials auch
eine Wasserstoffentwicklung an der Werkzeugelektrode vermieden werden
kann. Zudem lassen sich auch weniger geeignete Metalle, beispielsweise
Bronze, Messing oder Kupfer als Werkzeugelektrodenmaterial beispielsweise
in Nitratelektrolyten einsetzen.
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Neben
der vorstehend beschriebenen Verhinderung der elektrochemischen
Nitratzersetzungsreaktion können auch alle weiteren elektrochemischen
Reaktionen am Werkstück kontrolliert werden. Dies ist zum
Beispiel die Vermeidung von Cr6+-Bildung
bei der elektrochemischen Bearbeitung von chromhaltigen Legierungen.
Bei Cr6+ handelt es sich um einen Gefahrstoff,
bei Cr3+ hingegen nicht. Das Standardpotential
E0 in basischer Lösung beträgt
für die Umwandlung von Cr zu Cr3+ E0 = –0,74 V und für die
Umwandlung von Cr3+ zu Cr6+ E0 = –0,13 V. Das bedeutet, dass
bei einem Potential der Anode zwischen –0,74 und –0,13
V zwar eine Auflösung von Cr in Form von Cr3+,
aber keine Bildung von Cr6+ erfolgt. Weiterhin
lässt sich auch die Bildung von Sauerstoff unterdrücken.
Aus der Vermeidung unerwünschter Nebenreaktionen resultiert
zudem eine Erhöhung der Stromausbeute.
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Neben
der elektrochemischen Metallbearbeitung bzw. der elektrochemischen
Abscheidung von Materialien auf dem zu bearbeitenden Werkstück mit
einem konstant anliegenden Potential bzw. einer konstant anliegenden
Stromdichte ist es auch möglich, den bipotentiostatischen
Prozess gepulst durchzuführen. Hierzu werden die Elektroden
mit einem gepulsten Strom, einer gepulsten Stromdichte bzw. Potentialpulsen
beaufschlagt. Die gepulste Prozessführung wird bei gleichzeitiger
Regelung durchgeführt.
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Die
bipotentiostatische bzw. bigalvanostatische Prozessführung
erlaubt eine vollständige Kontrolle der elektrochemischen
Prozesse, die während der Bearbeitung ablaufen. Neben der
Verhinderung der Cr6+-Bildung hat dies den
weiteren Vorteil, dass zum Beispiel auch Passivschichten auf der
Oberfläche in der Bearbeitungspause, insbesondere bei gepulster
Bearbeitung, reduktiv entfernt werden können.
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Durch
die Vermeidung der Gasentwicklung, die sich durch das erfindungsgemäße
Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
erzielen lässt, wird auch eine homogenere Metallauflösung
erreicht und hierdurch geringere Oberflächenrauheiten und bessere
Bearbeitungsqualitäten erzielt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
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2 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen
Metallabscheidung gemäß dem Stand der Technik,
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3 eine erfindungsgemäße
elektrochemische Metallbearbeitung,
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4 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen
Metallbearbeitung gemäß dem Stand der Technik,
bei der ein Funkenüberschlag auftritt,
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5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Kurzschlussvermeidung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstückes
dargestellt.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung 1 umfasst
ein Reservoir 3, in welchem ein Elektrolyt 5 enthalten
ist. In dem Elektrolyten 5 ist ein zu bearbeitendes Werkstück 7 aufgenommen.
Bei einer elektrochemischen Metallbearbeitung wird in das zu bearbeitende
Werkstück 7 eine Struktur eingebracht. Dies erfolgt
mittels einer Werkzeugelektrode 9. Zwischen dem zu bearbeitenden
Werkstück 7 und der Werkzeugelektrode 9 wird
eine Spannung angelegt. Dies führt dazu, dass Metallionen
aus dem zu bearbeitenden Werkstück 7 herausgelöst
werden und so die Oberfläche strukturiert werden kann.
Für eine präzise Bearbeitung der Oberfläche
des zu bearbeitenden Werkstückes 7 ist ein geringer
Abstand zwischen der Werkzeugelektrode 9 und dem zu bearbeitenden Werkstück 7 erforderlich.
Dieser geringe Abstand führt bei den aus dem Stand der
Technik bekannten Verfahren dazu, dass sich durch eine steigende
Konzentration an Metallionen im Spalt zwischen dem zu bearbeitenden
Werkstück 7 und der Werkzeugelektrode 9 ein
Kurzschluss bilden kann und es zu einem Funkenüberschlag
kommen kann. Durch den Funkenüberschlag ist es möglich,
dass die Werkzeugelektrode 9 beschädigt wird.
Weiterhin ist es auch möglich, dass sich an der Werkzeugelektrode 9 Metallionen
ablagern. Hierdurch verändert sich die Feingeometrie der
Werkzeugelektrode 9 und die Bearbeitung des zu bearbeitenden
Werkstückes 7 wird unpräziser. Aus diesem
Grund ist erfindungsgemäß im Elektrolyten 5 weiterhin
eine Referenzelektrode 11 aufgenommen. Mit Hilfe der Referenzelektrode 11 lässt
sich das Potential am zu bearbeitenden Werkstück 7 genau
regeln. Hierzu weist die Referenzelektrode 11 ein bekanntes
und unveränderliches Potential auf. Durch eine hochohmige
Verbindung mit einem Potentiostaten wird gewährleistet,
dass an der Referenzelektrode 11 keine durch das Verfahren
bedingte elektrochemische Reaktion stattfindet. Eine Steuerung der
Reaktion am zu bearbeitenden Werkstück 7 durch
elektrochemische Metallbearbeitung ist möglich, da Potentiale
an dem zu bearbeitenden Werkstück 7 und der Werkzeugelektrode 9 immer
in Bezug auf das Potential der Referenzelektrode 11 angelegt
werden.
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Für
eine vollständige Kontrolle des elektrochemischen Metallbearbeitungsprozesses
wird erfindungsgemäß auch das Potential der Werkzeugelektrode 9 genau
geregelt. Hierzu wird eine Gegenelektrode 13 in die Vorrichtung 1 eingebracht.
Die Gegenelektrode 13 ist ebenso wie die Referenzelektrode 11,
die Werkzeugelektrode 9 und das zu bearbeitende Werkstück 7 vom
im Reservoir 3 enthaltenden Elektrolyten bedeckt.
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Die
Potentialregelung selbst erfolgt mit einem Bipotentiostaten 15.
Hierdurch lassen sich die Potentiale der Werkzeugelektrode 9 des
zu bearbeitenden Werkstücks 7 jeweils unabhängig
voneinander in Bezug auf das Potential der Referenzelektrode 11 einstellen.
Durch die Verwendung des Bipotentiostaten 15 und die zusätzliche
Gegenelektrode 13 ist es nun möglich, das Potential
am zu bearbeitenden Werkstück 7 derart zu verändern,
dass eine elektrochemische Bearbeitung stattfindet, wobei jedoch
an der Werkzeugelektrode 9 ein Potential angelegt wird, bei
welchem keine elektrochemischen Reaktionen ablaufen.
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Durch
die elektrochemische Bearbeitung wird die Form der Werkzeugelektrode 9 wie
bereits aus dem Stand der Technik bekannt im Wesentlichen im Verhältnis
1:1 auf das zu bearbeitende Werkstück 7 übertragen.
Eine bislang auftretende Verschmutzung der Werkzeugelektrode 9 durch
elektrochemische Abscheidung von Oxiden oder Fremdmetallen wird
jedoch durch die erfindungsgemäße Verschaltung
effektiv unterbunden, genauso wie eine mögliche, stattfindende
Gasentwicklung.
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Da
im Allgemeinen mit Elektrolyten 5 mit hoher Leitfähigkeit,
das heißt einer Leitfähigkeit im Bereich von 50
bis 200 mS/cm, gearbeitet wird und somit Bedingungen wie bei üblich
verwendeten Salzbrücken vorliegen, ist es möglich,
die Referenzelektrode 11 nahezu willkürlich in
die Vorrichtung 1 zu integrieren. Eine Positionierung der
Referenzelektrode 11 und der Gegenelektrode 13 in
unmittelbarer Nähe zum zu bearbeitenden Werkstück 7 und
der Werkzeugelektrode 9 ist nicht erforderlich. Dies liegt
daran, dass aufgrund der hohen Leitfähigkeit des Elektrolyten 5 auch über
größere Entfernungen Potentiale zum zu bearbeitenden
Werkstücks 7 und der Werkzeugelektrode 9 gemessen
bzw. geregelt werden können.
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Ein
weiterer Effekt der bipotentiostatischen Prozessführung,
wie sie in 1 dargestellt ist, ist, dass
Funkenüberschläge zwischen dem zu bearbeitenden
Werkstück 7 und der Werkzeugelektrode 9 verhindert
werden können. Derartige Funkenüberschläge
führen zu Aufschmelzungen an der Werkzeugelektrode 9.
Dies wird bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren
durch einen großen technischen Aufwand verhindert. Bei
der bipotentiostatischen Prozessführung erfolgt, bedingt
durch den Aufbau des Bipotentiostaten, kein direkter Stromfluss zwischen
dem zu bearbeitenden Werkstück 7 und der Werkzeugelektrode 9.
Ein direkter Stromfluss erfolgt zwischen der Gegenelektrode 13 und
der Werkzeugelektrode 9 bzw. dem zu bearbeitenden Werkstück 7.
Für eine elektrochemische Metallbearbeitung ist es erforderlich,
dass zwischen dem Werkstück 7 und der Werkzeugelektrode 9 eine
Potentialdifferenz anliegt. Diese stellt die elektrochemische Triebkraft
für den elektrochemischen Metallbearbeitungsprozess dar.
Eine derartige Potentialdifferenz liegt insbesondere auch dann an,
wenn sowohl das Werkstück 7 als auch die Werkzeug elektrode 9 ein positives
Potential aufweisen, die Potentiale von Werkstück 7 und
Werkzeugelektrode 9 jedoch unterschiedlich groß sind.
Stromfluss wird immer über die Gegenelektrode 13 abgeleitet.
Dieser Stromfluss kann als Parameter zum Regeln des Abstandes zwischen
der Werkzeugelektrode 9 und dem zu bearbeitenden Werkstück 7 eingesetzt
werden. Diese Regelung des Abstandes wird auch als Spaltregelung
bezeichnet. Die Spaltregelung durch den vermehrten Stromfluss hat
den Vorteil, dass diese wesentlich einfacher aufgebaut werden kann
als bei elektrochemischen Metallbearbeitungsprozessen, wie sie aus dem
Stand der Technik bekannt sind, bei denen aufwändige und
somit teure Elektronikkomponenten zur Verhinderung von Kurzschlüssen
eingesetzt werden müssen.
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung 1 lässt sich
sowohl zur elektrochemischen Metallbearbeitung einsetzen, bei der
metallisches Material aus einem zu bearbeitenden Werkstück 7 abgetragen
wird, als auch für eine Abscheidung von Metall auf dem
zu bearbeitenden Werkstück 7. Sowohl für
die elektrochemische Metallbearbeitung, als auch für die
Abscheidung eines Materials kann alternativ zum bipotentiostatischen
Prozess ein bigalvanostatischer Prozess eingesetzt werden. Bei einem
bigalvanostatisch geführten Prozess wird jedoch nicht das
Potential sondern die anliegende Stromdichte geregelt. Da ein Bipotentiostat 15 in
der Regel auch als Bigalvanostat funktioniert, ist es nicht notwendig,
für einen bigalvanostatisch geführten Prozess
andere Bauteile einzusetzen.
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In 2 ist ein elektrochemischer Metallbearbeitungsprozess
gemäß dem Stand der Technik dargestellt.
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Bei
dem aus dem Stand der Technik bekannten elektrochemischem Metallbearbeitungsprozess wird
eine Zweipol-Strom-/-Spannungsquelle 17 verwendet. An den
positiven Pol der Zweipol-Strom-/-Spannungsquelle 17 wird
das zu bearbeitende Werkstück 7 und an den negativen
Pol die Werkzeugelektrode 9 angeschlossen. Bei der Bearbeitung
am zu bearbeitenden Werkstück 7 aus beispielsweise
Stahl, werden in großem Maße Fe2+/3+-Ionen
durch elektrochemische Auflösungsprozesse am zu bearbeitenden
Werkstück 7 erzeugt. Diese können als
Abscheidung 19 an der Werkzeugelektrode 9 abgeschieden
werden. Die Abscheidung erfolgt zum Beispiel als Fe2O3 oder metallisches Eisen. Wenn das Verfahren
zur Präzisionsbearbeitung eingesetzt wird, führt
diese Abscheidung 19 dazu, dass die Qualität der
Bearbeitung sehr schnell sinkt und die Werkzeugelektrode 9 ausgetauscht
werden muss.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren wird, wie in 3 dargestellt, das Ausbilden einer Abscheidung 19 auf
der Werkzeugelektrode 9 verhindert. Dies ist dadurch möglich,
dass durch die Verwendung der Referenzelektrode 11 und
der Gegenelektrode 13 an der Werkzeugelektrode 9 ein
elektrochemisches Potential aufgeprägt werden kann, durch das
das Ausbilden einer Abscheidung 19 durch Metallionen auf
der Werkzeugelektrode 9 vermieden werden kann. Bei der
Bearbeitung von eisenhaltigen Werkstoffen wird der Werkzeugelektrode 9 in
Abhängigkeit von der Konzentration des Elektrolyten 5 zum Beispiel
ein elektrochemisches Potential aufgeprägt, das größer
ist als 0,445 V gegenüber einer Normalwasserstoffelektrode.
Hierdurch kann die Qualität der Bearbeitung über
einen wesentlich längeren Zeitraum aufrechterhalten werden
als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, wie es
zum Beispiel in 2 dargestellt ist.
Die Bearbeitungsdauer wird bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren nicht durch das Ausbilden einer Abscheidung 19 auf der
Werkzeugelektrode 9 beeinträchtigt. Auch kann das
Ausbilden einer Abscheidung 19 aus anderen Legierungsbestandteilen
von zum Beispiel Stahl, wenn das zu bearbeitende Werkstück 7 aus
Stahl besteht oder auch von anderen Metallen, wenn ein Werkstück 7 aus
einem anderen Metall bearbeitet werden soll, verhindert werden.
Um eine Abscheidung zum Beispiel von Chrom bzw. Chromoxid zu vermeiden,
wird ein elektrochemisches Potential aufgeprägt, das vorzugsweise
größer als 0,31 V gegenüber einer Normalwasserstoffelektrode
ist. Zur Vermeidung einer Abscheidung aus Nickel wird ein elektrochemisches
Potential aufgeprägt, das größer als –0,23
V gegenüber einer Normalwasserstoffelektrode ist und zur
Vermeidung der Abscheidung von Kupfer ein elektrochemisches Potential,
das größer als 0,337 V gegenüber einer
Normalwasserstoffelektrode ist. Die Normalwasserstoffelektrode ist
dabei ein Beispiel für die jeweils als Referenzelektrode 11 eingesetzte
Elektrode. Andere mögliche Referenzelektroden sind Ag/AgCl,
Hg/HgSO4 oder eine Kalomelelektrode. Gleichzeitig
wird auch die Gefahr der elektrochemischen Elektrodenauflösung,
wie sie zum Beispiel bei einer bipolaren Prozessführung
mit nur zwei Elektroden, wie sie im Stand der Technik bekannt ist
und für eine Zweipol-Strom-/-Spannungsquelle, wie sie in 2 dargestellt ist, gegeben ist, auf ein
Minimum beschränkt.
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In 4 ist ein Verfahren zur elektrochemischen
Metallbearbeitung dargestellt, wie es aus dem Stand der Technik
bekannt ist, wobei durch einen zu geringen Spalt ein Funkenüberschlag
auftreten kann.
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Während
der elektrochemischen Metallbearbeitung ändert sich der
elektrische Widerstand im Arbeitsspalt 21 zwischen dem
zu bearbeitenden Werkstück 7 und der Werkzeugelektrode 9.
Diese Veränderung resultiert zum Beispiel aus nicht weggespülten
Abtragsprodukten durch die elektrochemische Metallbearbeitung oder
einen zu kleinen Arbeitsspalt. Durch das Regelverhalten bei zweipoligen Strom-/Spannungsquellen 17,
wie sie bei Verfahren zur elektrochemischen Metallverarbeitung eingesetzt werden,
wie diese aus dem Stand der Technik bekannt sind, kann dies zu einem
Funkenüberschlag 23 zwischen dem zu bearbei tenden
Werkstück 7 und der Werkzeugelektrode 9 führen.
Der Funkenüberschlag führt dazu, dass die Elektroden,
das heißt das zu bearbeitende Werkstück 7 und
die Werkzeugelektrode 9, beschädigt werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen, in 5 dargestellten
bipotentiostatischen Aufbau für die elektrochemische Metallbearbeitung
wird ein Funkenüberschlag im Arbeitsspalt 21 ausgeschlossen,
da kein direkter Stromfluss zwischen der Werkzeugelektrode 9 und
dem Werkstück 7 erfolgt. Dass kein direkter Stromfluss
zwischen der Werkzeugelektrode 9 und dem Werkstück 7 erfolgt,
liegt daran, dass die elektrochemischen Potentiale unabhängig
voneinander und in Bezug auf die Referenzelektrode 11 eingestellt werden.
Wenn sich der Widerstand zwischen der Werkzeugelektrode 9 und
dem zu bearbeitenden Werkstück 7 ändert,
wird sich ein sich ändernder Stromfluss zwischen dem zu
bearbeitenden Werkstück 7 und der Gegenelektrode 13 bzw.
der Werkzeugelektrode 9 und der Gegenelektrode 13 detektiert.
Die Gegenelektrode 13 kann sich dabei an einer beliebigen
Stelle innerhalb des Reservoirs 3 im Elektrolyten 5 befinden.
Vorzugsweise wird die Gegenelektrode 13 jedoch in der Nähe
der Werkzeugelektrode 9 bzw. des zu bearbeitenden Werkstücks 7 platziert,
da ein kleinerer Abstand zwischen den jeweiligen Elektroden 7, 9, 13 zu
einem größeren fließenden Strom führt.
Die anliegende Potentialdifferenz zwischen dem zu bearbeitenden
Werkstück und der Werkzeugelektrode 9 bleibt konstant.
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Die Änderung
des Stromflusses zwischen dem zu bearbeitenden Werkstück 7 und
der Gegenelektrode 13 bzw. der Werkzeugelektrode 9 und
der Gegenelektrode 13 kann auch als Regelparameter für
den Abstand zwischen der Werkzeugelektrode 9 und dem zu
bearbeitenden Werkstück 7 herangezogen werden,
da eine indirekte Beziehung zwischen dem fließenden Strom
und dem Abstand zwischen dem zu bearbeitenden Werkstück
und der Werkzeugelektrode 9 besteht. Beim Anlegen von Spannungspulsen,
wie dies üblicherweise für die elektrochemische
Metallbearbeitung erfolgt, liegen in einer Pulspause an der Werkzeugelektrode 9 und
dem zu bearbeitenden Werkstück 7 Potentiale an,
bei denen keine störenden faradayschen Reaktionsströme
fließen. Eine Bestimmung der Größe des
Arbeitsspaltes 21, das heißt dem Abstand zwischen
dem zu bearbeitenden Werkstück 7 und der Werkzeugelektrode 9 erfolgt
mit Hilfe der kapazitiven Ströme einer Doppelschichtumladung.
Wenn sich die Doppelschichten beider Elektroden, das heißt
der Werkzeugelektrode und des zu bearbeitenden Werkstücks 7 überlappen, steigt
der Strom deutlich an. Dies entspricht einer Entladung von Kondensatoren.
Eine Abstandsregelung, die auf den kapazitiven Strömen
der Doppelschichtumladung beruht, erhöht die Prozesssicherheit
des elektrochemischen Metallbearbeitungsverfahrens, da Störströme
während der Regelphase minimiert werden und sich das elektrochemische
System im Gleichgewicht befindet. Die Abstandsbestimmung erfolgt
durch eine Echtzeitmessung des analogen Stromsignals. Da ein mathematischer
Zusammenhang zwischen dem Abstand und dem fließenden elektrischen
Strom besteht, kann direkt aus dem Strom der Abstand bestimmt werden.
Für den Zusammenhang von Abstand d und fließendem
elektrischen Strom I gilt I ~ l/d. Bei einem drastischen Stromanstieg
wird die Vorschubbewegung der Elektrode unterbrochen, bis der Stromwert
wieder unter einen vorgegebenen Grenzwert gefallen ist. Anschließend wird
der Vorschub erneut eingeschaltet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur elektrochemischen
Metallbearbeitung lässt sich in allen Prozessen anwenden,
bei denen Werkstücke elektrochemisch bearbeitet werden.
Derartige Bauteile sind zum Beispiel Bauteile von Kraftstoffinjektoren wie
Injektorkörper oder Düsen sowie Einspritzventile. Weitere
geeignete Anwendungsbereiche sind zum Beispiel die elektrochemische
Entgrattechnik, die Herstellung von Ventilen, Rails, Injektoren
oder Hochdruckpumpen im Automobilbereich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10360080
A [0002]
- - US 7090763 B [0005]